laboratorio 1 conductividad termica

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LABORATORIO N°1 LABORATORIO N°1 : CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE AISLAMIENTOS I.- INTRODUCCION Todos los materiales oponen resistencia, en mayor o menor medida al paso del calor a través de ellos. Algunos muy escasa como los metales, otros una resistencia media como es el caso de los materiales de construcción (yesos, ladrillos, morteros). Aquellos materiales que ofrecen una resistencia alta se llaman materiales aislantes. En general, todos los materiales ofrecen resistencia al paso del calor, es decir, son aislantes térmicos. La diferencia es que de los que se trata tienen una resistencia muy grande, de modo, que espesores pequeños de material presentan una resistencia suficiente al uso que quiere dársele. El nombre más correcto de estos sería aislante térmico específico. Se considera que son aislantes térmicos específicos aquellos que tiene una conductividad térmica, λ < 0,08 W/m·°C. Uno de los mejores aislantes térmicos es el vacío, en el que el calor sólo se trasmite por radiación, pero debido a la gran dificultad para obtener y mantener condiciones de vacío se emplea en muy pocas ocasiones. En la práctica se utiliza mayoritariamente aire con baja humedad, que impide el paso del calor por conducción, gracias a su baja conductividad térmica, y por radiación, gracias a un bajo coeficiente de absorción. II.- OBJETIVOS 1. Medir la conductividad térmica promedio de aislantes térmicos comerciales (k aisl ) 2. Medir la rapidez de transferencia de calor ( ˙ Q) a través de un sistema cilíndrico compuesto mediante un método indirecto. PROF: DR. JORGE OLORTEGUI YUME MÁQUINAS TÉRMICAS

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conductividad térmica en aislantes laboratorio

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Page 1: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

LABORATORIO N°1 : CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE AISLAMIENTOS

I.- INTRODUCCION

Todos los materiales oponen resistencia, en mayor o menor medida al paso del calor a través de ellos. Algunos muy escasa como los metales, otros una resistencia media como es el caso de los materiales de construcción (yesos, ladrillos, morteros). Aquellos materiales que ofrecen una resistencia alta se llaman materiales aislantes.En general, todos los materiales ofrecen resistencia al paso del calor, es decir, son aislantes térmicos. La diferencia es que de los que se trata tienen una resistencia muy grande, de modo, que espesores pequeños de material presentan una resistencia suficiente al uso que quiere dársele. El nombre más correcto de estos sería aislante térmico específico. Se considera que son aislantes térmicos específicos aquellos que tiene una conductividad térmica, λ < 0,08 W/m·°C.Uno de los mejores aislantes térmicos es el vacío, en el que el calor sólo se trasmite por radiación, pero debido a la gran dificultad para obtener y mantener condiciones de vacío se emplea en muy pocas ocasiones. En la práctica se utiliza mayoritariamente aire con baja humedad, que impide el paso del calor por conducción, gracias a su baja conductividad térmica, y por radiación, gracias a un bajo coeficiente de absorción.

II.- OBJETIVOS

1. Medir la conductividad térmica promedio de aislantes térmicos comerciales (kaisl)

2. Medir la rapidez de transferencia de calor (Q) a través de un sistema cilíndrico compuesto mediante un método indirecto.

3. Determinar el flujo másico (m) mediante un método analítico-experimental.

4. Usar las tablas termodinámicas para agua pura determinar la entalpia a diferentes temperaturas.

5. Estimar la distribución de temperaturas T(r) en el aislante.

6. Entender la variación estadística de los experimentos térmicos.

7. Entender los pormenores técnicos de un experimento térmico.

8. Minimizar las pérdidas de energía por transferencia de calor hacia o desde el ambiente.

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LABORATORIO N°1

III.- TEORÍA

MATERIALES AISLANTES

Se define así a aquellos materiales cuya principal característica física es su baja conductividad térmica. La conductividad térmica es la característica que expresa la mayor o menor dificultad del material para permitir la transferencia de calor.

¿QUÉ ES EL AISLAMIENTO TÉRMICO?

Es el método con el cual tratamos de aislar térmicamente una superficie reduciendo la transferencia de calor hacia o desde el ambiente mediante el uso de materiales aislantes o de baja conductividad térmica.

¿POR QUÉ ES NECESARIO EL AISLAMIENTO?

La función primaria de los materiales termoaislantes utilizados en las pequeñas embarcaciones de pesca que utilizan hielo es reducir la transmisión de calor a través de las paredes, escotillas, tuberías o candeleros de las bodegas de pescado hasta el lugar en el que se almacena hielo o pescado enfriado. Al reducir la cantidad de calor infiltrado, puede reducirse la cantidad de hielo que se funde y aumentar así la eficacia de la conservación en hielo. Según se ha explicado antes, el hielo se consume porque absorbe la energía calorífica del pescado, pero también absorbe la energía calorífica que se infiltra a través de las paredes del recipiente de almacenamiento. El aislante de las paredes del recipiente puede reducir la cantidad de calor que penetra en el mismo y reducir así la cantidad de hielo necesaria para que su contenido se mantenga frío.Las principales ventajas de aislar la bodega de pescado con materiales adecuados son:Evitar la transmisión de calor procedente del aire caliente circundante, de la sala de máquinas y de las infiltraciones de calor a través de las paredes, escotillas, tuberías y candeleros de la bodega de pescado; aprovechar al máximo el espacio útil de la bodega de pescado y los costos de enfriamiento del pescado; ayudar a reducir las necesidades energéticas de los sistemas de refrigeración, si se utilizan.

ENTALPIA

Es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno es decir su variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, Se simboliza con la letra H mayúscula.

Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. El término de entalpía fue acuñado por el físico alemán Rudolf J.E. Clausius en 1850. Matemáticamente, la entalpía H es igual a:

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LABORATORIO N°1

H=U+ P∗V ……… (Ec .1)

DONDE:

U = energía interna (kj)P = presión (pascal)V =  volumen(m3)H = entalpia (kj)

TABLA N° 01: ENTALPIA DE AGUA SATURADA

FLUJO MASICO

La cantidad de masa que pasa por una sección transversal por unidad de tiempo se llama flujo másico y se denota mediante m

Es la velocidad a la que la masa de una sustancia pasa a través de una superficie dada. La cantidad de masa que pasa por una sección transversal por unidad de tiempo se llama flujo másico y se denota mediante m. El punto sobre un símbolo se usa para indicar la rapidez de cambio respecto al tiempo. Un fluido entra o sale comúnmente de un volumen de control a través de tuberías o ductos.

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Page 4: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

m= ρ∗π∗D2∗h4∗t

……… ( Ec .2 )

DONDE:

m=flujomasico ρ=densidad del agua D2=diametrodel balde (base ) h=alturadel llenado del balde t=tiempo de llenado auna alturah

Ilustración 1: baldes para determinar flujo másico

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

La conductividad térmica es la propiedad física de cualquier material que mide la capacidad de conducción de calor a través del mismo.

La conductividad térmica es una propiedad de transporte, pues indica el transporte de energía en un sólido o en fluido. Es una propiedad esencial para los caculos de balance de energía en aplicaciones de transferencia de calor.

k aisl= ˙m∗¿¿¿

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LABORATORIO N°1

DONDE:

m=flujomasico; h(Tent )

=la entalpiarespecto a latemperatura de entrada .

h(Tsal)=laentalpia respecto ala temperatura de salida .

Rext=Elradio externo del aislamiento .

R∫ ¿=Elradio interno del aislamiento . ¿

l=longitud de latuberiadel aislamiento . T∫¿=temperatura interno dela tuberia. ¿

T ext=temperatura externo del pvc .

Ilustración 2 conductividad térmica en un cilindro

AISLANTE TÉRMICO

Un aislante térmico es un material usado en la construcción y la industria y caracterizado por su alta resistencia térmica. Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a igualarse en temperatura, impidiendo que entre o salga calor del sistema. La cuantificación de las propiedades de un aislante es compleja, ya que cada material reacciona de manera diferente ante las diferentes trasmisiones del calor.

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LABORATORIO N°1

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR

La cantidad denotada por Q en la siguiente ecuación: E2 - E l = O – WContabiliza la cantidad de energía transferida a un sistema cerrado durante un proceso por otros medios distintos al trabajo. La experiencia ensena que una transferencia tal de energía se provoca solo como consecuencia de una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno y se da únicamente en la dirección del descenso de temperatura. Esta forma de transferencia de energía se llama transferencia de energía por calor. Ya que el concepto encerrado en lo anterior es muy importante en la Termodinámica técnica, esta sección está dedicada a un análisis más profundo de la transferencia de energía por calor.

RAZÓN DE TRANSFERENCIA DE CALOR

La cantidad de calor transferido durante el proceso se denota por Q. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo se llama razón de transferencia de Calor y se denota por Q. La razón de transferencia del calor por unidad de área perpendicular a la dirección de esa transferencia se llama flujo de calor y el flujo promedio de calor se expresa como:

q= QA

…… …. (Ecu2.4 )

Dónde:q=Flujo decalor

Q=Razón de transferenciadel calorA=Área

CONDUCCION DE CALOR EN CILINDROS

Considere la conducción estacionaria de calor a través de un tubo de agua caliente. El calor se pierde en forma continua hacia el exterior a través de la pared del tubo e, intuitivamente, se siente que la transferencia de calor a través de éste se efectúa en la dirección normal a su superficie y no se tiene alguna transferencia significativa en otras direcciones (figura 1).

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Page 7: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

La pared del tubo, cuyo espesor es más bien pequeño, separa dos fluidos a temperaturas diferentes y, en consecuencia, el gradiente de temperatura en la dirección radial es relativamente grande. Además, si las temperaturas de los fluidos, dentro y fuera del tubo, permanecen constantes, entonces la transferencia de calor a través de ese tubo es estacionaria. Por tanto, la transferencia de calor a través del tubo se puede considerar estacionaria y unidimensional. En este caso, la temperatura del tubo depende sólo de una dirección (la dirección r radial) y se puede expresar como T = T(r).

Las dos superficies de la capa cilíndrica se mantienen a las temperaturas constantes TI y T2

Qcond , cil=2 πLkT1−T2

ln( r2

r1)

………(Ec .5)

Dado que Qcond , cil =constante. Esta ecuación se puede reacomodar para que quede

Qcond , cil=T1−T2

R cil

… ……(Ec .6)

Dónde:

Rcil=

ln( r2

r1)

2 πLk=

ln( radioexteriorradiointerior )

2 π∗(longitud )∗(conducctividad termica)…… (Ecu .2 .7)

RcilEs la resistencia térmica de la capa cilíndrica contra la conducción de calor o, simplemente, la resistencia a la conducción de la capa cilíndrica. Se puede repetir el análisis para una capa esférica, al tomar A = 4π r2 Y realizar la integración en la ecuación, El resultado se puede expresar como

Qcond , cil=T1−T2

R cil

… ……¿

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LABORATORIO N°1

MATERIALES, EQUIPOS E INSTRUMENTOS

ESQUEMA Y FOTO DE EQUIPO EN CONJUNTO.

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LABORATORIO N°1

ESQUEMA Y FOTOS DE TUBERÍA CON AISLAMIENTO

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MEDIDORES DE TEMPERATURA

MANOMETRO

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LABORATORIO N°1

VALVULAS - COMPUERTAS

TUBERIA CON ALETAS

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LABORATORIO N°1

TUBERIA NORMAL

BALDES

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LABORATORIO N°1

CALDERO

VERNIER

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LABORATORIO N°1

PROCEDIMIENTOS:

Llenamos el caldero con 6 litros de agua blanda obtenida de la planta piloto. Se enciende la hornilla eléctrica. Esperamos que la presión llegue a los 15 psi. Abrimos la primera llave y esperamos 5 minutos para que se estabilice la

temperatura. Abrimos la llave que conecta al cilindro aislado con la fibra de lana de vidrio. Purgamos la tubería con la llave de salida. Hacemos contacto con las termocuplas y esperamos que la temperatura se

estabilice y anotamos esos datos. Se abre la llave de salida a 30° , 60° y 90º tomando las lecturas respectivas para

cada ángulo. Se anota el tiempo, el volumen y las temperaturas para hallar el flujo másico.

DETERMINACIÓN DE FLUJO MÁSICO EN FUNCIÓN DEL ANGULO DE APERTURA DE VÁLVULAS (ANALÍTICO-EXPERIMENTAL)

PRIMER EXPERIMENTO: VALVULAS A 30 GRADOS

a) DATOS:

T∫¿=82 °c ¿

T ext=28 ° ch=0.02 mt=21.26 s

hent=h(Tent )=h(92 °c)=385.46

kjkg

hsal=h(T sal)=h(84 °c)=351.82

kjkg

D=0.27 mR∫ ¿=0.0108 m¿

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T=21.26seg

h=0.02m

h =0t=0

D=0.27m

T=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26segT=21.26seg

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LABORATORIO N°1

L=28.2cm=0.282mRext=0.054m .

b) SOLUCION: Hallamos el flujo másico (m)

m= ρ∗π∗D2∗h4∗t

Dónde:m=flujomasico;ρ=densidad del agua ;D2=diametrodel balde (base );h=alturadel llenado del balde ;t=tiempo de llenado aua alturah

∴ m=1000∗π∗0.272∗0.024∗21.26

m=0.05386kgs

DETERMINAMOS LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL AISLANTE (Kaisl)

k aisl= ˙m∗¿¿¿Dónde:

m=flujomasico;h(Tent )

=la entalpiarespecto a latemperatura de entrada .h(Tsal)

=laentalpia respecto ala temperatura de salida .Rext=Elradio externo del aislamiento .R∫ ¿=Elradio interno del aislamiento . ¿

l=longitud de latuberiadel aislamiento .T∫¿=temperatura interno dela tuberia. ¿

T ext=temperatura externo del pvc .

∴K aisl=0.05386 [ 385.46−351.82 ]∗ln( 0.054

0.0108 )2∗π∗0.282∗(82−28 )

Kaisl=0.03047w

m. ° c

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LABORATORIO N°1

SEGUNDOR EXPERIMENTO: VALVULAS A 60 GRADOS

c) DATOS:

T∫¿=70 °c ¿

T ext=33 ° ch=0.02 mt=13.5 s

hent=h(Tent )=h(87 ° c)=364.42

kjkg

hsal=h(T sal)=h(83 °c)=347.62

kjkg

D=0.27 mR∫ ¿=0.0108 m¿

L=28.2cm=0.282mRext=0.054m .

d) SOLUCION: Hallamos el flujo másico (m)

m= ρ∗π∗D2∗h4∗t

Dónde:m=flujomasico;ρ=densidad del agua ;D2=diametrodel balde (base );h=alturadel llenado del balde ;t=tiempo de llenado aua alturah

∴ m=1000∗π∗0.272∗0.024∗13.5

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T=13.5seg

h=0.02m

h =0t=0

D=0.27m

T=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5segT=13.5seg

Page 18: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

m=0.084823001kgs

DETERMINAMOS LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL AISLANTE (Kaisl)

k aisl= ˙m∗¿¿¿Dónde:

m=flujomasico;h(Tent )

=la entalpiarespecto a latemperatura de entrada .h(Tsal)

=laentalpia respecto ala temperatura de salida . Rext=Elradio externo del aislamiento .R∫ ¿=Elradio interno del aislamiento . ¿

l=longitud de latuberiadel aislamiento .T∫¿=temperatura interno dela tuberia. ¿

T ext=temperatura externo del pvc .

∴K aisl=0.084823001 [364.42−347.62 ]∗ln( 0.054

0.0108 )2∗π∗0.282∗(70−33 )

Kaisl=0.034983756w

m. ° c

TERCER EXPERIMENTO: POSICION DE VALVULA A 90 GRADOS

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D=0.27m

t=11.36 h =2

h=0.02

T=11.36seg

Page 19: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

a) DATOS: T∫¿=73 °c ¿

T ext=33 ° c h=0.02 t=11.36 s

hent=h(Tent )=h(90 °c)=377.04

kjkg

hsal=h(T sal)=h(87 °c)=364.428

kjkg

D=0.27 m R∫ ¿=0.0108 m;¿

L=28.2cm=0.282m Rext=0.054m .

b) SOLUCION:

HALLAMOS EL FLUJO MÁSICO (m)

m= ρ∗π∗D2∗h4∗t

Dónde:m=flujomasico;ρ=densidad del agua ;D2=diametrodel balde (base );h=alturadel llenado del balde ;t=tiempo de llenado aua alturah

∴ m=1000∗π∗0.272∗0.024∗11.36

m=0.100802kgs

DETERMINAMOS LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL AISLANTE (Kaisl)

k aisl= ˙m∗¿¿¿Donde:

m=flujomasico;h(Tent )

=la entalpiarespecto a latemperatura de entrada .h(Tsal)

=laentalpia respecto ala temperatura de salid a .Rext=Elradio externo del aislamiento .

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Page 20: laboratorio 1 conductividad termica

EXPERIMENTO POSICIÓN DE LA VALVULA ( grados ) (°C) (°C) (°C)

1 30 92 84 82 28

2 60 87 83 70 33

3 90 90 87 73 33

LABORATORIO N°1

R∫ ¿=Elradio interno del aislamiento . ¿

l=longitud de latuberiadel aislamiento .T∫¿=temperatura∫e rnode latuberia .¿

T ext=temperatura externo del pvc .

∴K aisl=0.100802∗[377.04−364.428 ]∗ln( 0.054

0.0108 )2∗π∗0.282∗(73−33 )

Kaisl=0.02887w

m. ° c

4. RESUMEN DE RESULTADOS

1. CURVAS ANGULO DE GIRO DE VALVULA () VS. FLUJO MASICO (m) (INCLUIR ESQUEMAS ILUSTRATIVOS)

2. TABLA DE RESULTADOS

TABLA N°1

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92 87 900

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

T° ENTRADA

T° ENTRADA

TEMPERATURA(°C)

POSI

CIO

N D

E LA

VAL

VULA

(ÁN

GULO

)

Page 21: laboratorio 1 conductividad termica

EXPERIMENTO POSICIÓN DE LA VALVULA ( grados ) (°C) (°C)

1 30 92 84 385.46 351.82

2 60 87 83 364.42 347.62

3 90 90 87 377.04 364.43

EXPERIMENTO POSICIÓN DE LA VALVULA ( grados )

1 30 0.05386 0.03047

2 60 0.084823 0.0349837

3 90 0.100802 0.02987

LABORATORIO N°1

TABLA N°2

TABLA N°3

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84 83 870

102030405060708090

100

T° SALIDA

T° SALIDA

TEMPERATURA(°C)

POSI

CIÓ

N D

E VÁ

LVUL

A(ÁN

GULO

)

0.03047 0.0349837 0.029870

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

CONDUCTIVIDAD TERMICA

CONDUCTIVIDAD TERMICA

CONDUCTIVIDAD

FLUJ

O M

ASIC

O

Page 22: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

VI.- CONCLUSIONES

1. Al observar los valores de “k” puede concluirse que nuestro aislante posee un conductividad muy baja, disminuyendo considerablemente la transferencia de calor.

2. Dado el comportamiento de “n” puede decirse que al aumentar el número de vueltas y por consiguiente el aumento de flujo másico, la transferencia de calor es menor

.3. Datos las variaciones de “k” podemos deducir que hay cierto margen de error, sin

embargo dado que estamos trabajando con un flujo másico relativamente pequeños, son aceptables.

4. Al observar los valores del flujo másico y el número de vueltas podemos notar que a mayor flujo másico y menor número de vueltas ,mayor la transferencia de calor.

VII.- RECOMENDACIONES1.

VII.- REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

LIBROS:

Ramírez P. (2010). Comportamiento Mecánico de los Materiales.(4 edición). México. pp 456-567.

Yunus Cengel( 2007).Transferencia de calor y masa.(3 edicion).Mexico.Mc-graw-hill

Kreith Frank (2011). Principios de trasnferencia de calor (7 edicion).Estados unidos

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Page 23: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

ANEXOS

ANEXO N° 01 : VISTAS

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Page 24: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

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Page 25: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

ANEXO N° 03: CALDERO

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Page 26: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

ANEXO N° 04: SISTEMA DE TUBERÍAS

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Page 27: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

ANEXO N° 05: VÁLVULA (DETALLE)

VÁLVULA COMPUERTA

ANEXO N° 06: PIEZAS DISEÑADAS EN SOLIDWORKS

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Page 28: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

CODO MESA

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Page 29: laboratorio 1 conductividad termica

LABORATORIO N°1

TE

SOPORTE DE ANGULO

TUBO DE 15 MM BALDE

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